亚洲粉尘的源区分布、释放、输送、沉降与黄土堆积

根据亚洲粉尘关键区域(中国沙漠、黄土高原、青藏高原和中国历史降尘区)大气气溶胶中15～28种元素的浓度-粒度分布、沉降速率和通量分析,以及元素示踪系统的进一步解析,发现中国北方沙漠存在两个粉尘地-气交换较活跃区域,即中国西部沙漠和北部沙漠高粉尘区,且证明这两个区域及其邻区是亚洲粉尘和黄土高原黄土主要源区的中心区域;通过对5个亚太区域粉尘沉降量的模式估算,得出亚洲粉尘释放总量每年约为800Tg,约相当于全球沙漠排放总量的一半;粉尘与黄土的对比表明,亚洲粉尘区域尺度输送受季风环流控制,但间冰期时并不取决于尘暴过程,而全球尺度输送主要由高空西风完成,无论冰期、间冰期均受尘暴过程控制;粉尘通量的结果表明干沉降是粉尘在黄土区沉降的主要过程,且晚第四纪粉尘沉积的再改造份额不超过其沉积总量的10%;元素示踪系统应用于风成黄土,发现在间冰期北部沙漠源区输出的粉尘量增加,而在冰期西部源区输出的粉尘量增加.这种晚第四纪亚洲粉尘“源区摆动”的快速变化其实是全球千年尺度气候变化的一环,并可视为过去北半球大气环流长期变化的代用序列.     

亚洲沙尘的远距离输送及对海洋生态系统的影响

亚洲沙尘是全球沙尘的重要组成部分,其环境效应已得到广泛关注,但至今对亚洲沙尘输送/沉降—海洋生态系统响应—辐射活性气体海气交换—间接气候效应这一过程的认识却是非常初步的。亚洲沙尘存在3个主要源区,对其排放强度的认识仍存在较大的不确定性。亚洲沙尘可以通过长距离输送而影响到广大的北太平洋,其传输路径和影响范围决定于沙尘的来源、粒子谱分布与大气环流特征等因素。沙尘沉降是海洋营养物质和污染物质的来源之一,但沉降通量的估算结果仍有待进一步验证,而对海洋生态系统的作用机制及其反馈还缺乏足够的了解。论文在综述国内外相关研究的基础上,提出了“亚洲沙尘与海洋生态系统”（Asian Dust and Ocean EcoSystem,ADOES）研究计划的科学目标和主要研究内容。     

晚中新世以来亚洲季风阶段性演化的海陆记录

本文在综合对比晚新生代以来中国黄土高原黄土一红粘土沉积、西北太平洋粉尘沉积、南海有孔虫、阿拉伯海有孔虫记录的基础上,探讨了大约8Ma以来亚洲季风的阶段性演化历史。结果发现,黄土高原粉尘沉积在8Ma前后大规模出现,在3．5Ma前后大幅增加;印度季风在8Ma前后形成(或显著加强);南海ODP1146站位浮游有孔虫Neoglcboquadrina丰度也有两次明显增加,表明海水表面温度不断降低和海洋生产力的增加,指示东亚冬季风作用增强。北太平洋()DP885／886钻孔风成粉尘通量也有增加,指示亚洲内陆进一步的干旱化和冬季风作用的增强。印度洋沉积通量在11Ma前后开始增加。在9～8Ma时出现峰值,表明喜马拉雅山和青藏高原南部逐渐隆起。当隆起达到足够高度时,导致亚洲内陆干旱气候带扩大,同时提供大量粉尘并向东传输到中国北方和北太平洋地区。青藏高原北缘山前盆地的沉积记录显示,在3．6Ma时,高原北部的进一步快速隆升过程可能影响到整个高原,从而导致亚洲内陆更加干旱化,东亚季风增强,粉尘沉积加快,南海及印度洋陆源沉积作用加剧。     

新近纪以来中国黄土高原的风尘记录

通过对黄土高原中部两个典型的风尘堆积序列的岩性和磁性地层研究 ,认为中国黄土高原风尘堆积的开始发育年龄至少约为 7.2 Ma B.P.。以红粘土和黄土—古土壤交互出现的风尘沉积 ,不仅真实地记录了东亚季风气候的形成演化 ,而且可能包含了青藏高原的阶段性隆升、北半球冰盖形成演化及大冰期发生等构造气候事件的印记。反映粉尘源区的干燥度及携带粉尘的大气环流强度的风尘沉积速率自 7.2 Ma B.P.开始、尤其是 4.5 Ma B.P.以来逐渐增大 ,似乎暗示了自新近纪以来亚洲内陆粉尘源区干旱化的逐级发展和东亚冬季风环流强度的逐渐增加     

中更新世全球最大冰期与中国沙漠扩张

位于青藏高原和西北干旱区交界带的沙沟黄土剖面, 详细记录了0.8 Ma BP以来东亚季风系统和沙漠演化的历史. L6黄土层中, 中值粒径和砂粒含量表明当时冬季风极端强盛, 沙漠大规模扩张, 其范围仅次于末次冰期最盛期. 在0.6～0.7 Ma BP以前(即深海氧同位素MIS16阶段), 北半球高纬度大陆冰盖大规模扩展, 全球冰量达到最大, 并且西伯利亚冰盖的扩展, 还使得西伯利亚高压增强; 同时, 青藏高原上也发育了最大规模的冰川, 从而强化了西风和东亚冬季风. 其结果造成了中国季风边缘区的沙漠扩张. 虽然全球冰量和青藏高原是影响沙漠演化的重要因素, 但在不同的时段其机制可能有所不同, 也不能忽略其它因素的影响.     

最后两个冰期旋回季风-沙漠系统不稳定性的高分辨率黄土记录

黄土高原西北部黄土沉积的粒度变化同时受控于沙漠进退和冬季风强度波动,因此,此区粒度可视为季风-沙漠系统变迁的替代性指标。本研究以2cm为间隔,对李家塬和新庄源S₂以上部分做了粒度分析。结果表明,倒数第二次冰期中的冰阶时段与末次冰期类似,存在着频繁的千年尺度的气候波动;而末次间冰期这类变化并不明显。     

黄土高原风尘沉积的物质来源研究:回顾与展望

黄土高原风尘沉积是青藏高原构造隆升和东亚季风系统共同影响下的产物。由于风尘物质的来源变化,不仅反映了亚洲内陆的干旱化过程,而且同过去大气环流格局变迁关系密切,因而,风尘物质来源的示踪一直是黄土研究的热点问题之一。文章首先回顾黄土来源的示踪方法、黄土物质的可能源区以及黄土物源在构造和轨道时间尺度上的变化特征3个方面取得的研究进展,然后探讨目前物源研究存在的问题及未来的研究展望。     

晚上新世-早更新世北太平洋和黄土高原的风尘沉积记录的初步对比

保存在陆地、海洋和冰芯中的风尘沉积物与粉尘源区的干旱化历史、过去大气环流模式及其强度的演化密切相关,因而,直接的海陆风尘记录对比一直是古气候研究中的热点.为了获得对亚洲粉尘源区的干旱化波动和东亚季风演化的全面认识,较高分辨率地提取了北太平洋ODP 885站深海沉积物中的风尘组分,进而估算了晚上新世-早更新世时段北太平洋中部的风尘通量变化.结果表明,亚洲内陆粉尘源区的干燥度具有大时间尺度的变化特征,在2.7Ma左右急剧增加,随后在2.7～1.5Ma时段逐渐减小,自1.5Ma开始又逐渐增加.此外,在2.7～0.9Ma时段,粉尘源区经历了多次显著的轨道时间尺度上的干湿波动.通过对北太平洋和黄土高原的风尘记录的直接对比,发现在距今约2.7Ma,东亚地区的古环境发生了显著的变动,表现为亚洲内陆干旱化的加剧和大幅度冬、夏季风环流的盛行.然而,自2.7Ma开始,尤其是1.5Ma以后,由于北太平洋和黄土高原与亚洲粉尘源区的距离不同,两地的风尘通量所揭示的干旱化趋势和变化幅度存有明显差异.北太平洋远离亚洲内陆,其风尘通量变化基本不受粉尘源区范围变化的影响,因而更能反映源区干燥度的变化.相反,黄土高原由于距离粉尘源区较近,风尘通量的变化可能同时受到粉尘源区干燥度和范围的变化以及携带粉尘的风动力强度变化的影响.显然,海洋和陆地古气候记录的直接对比,可为深入认识过去气候变化提供新的思路.     

距今7Ma以来甘肃灵台剖面 Nd和 Sr同位素特征

测定了 7 Ma B.P.以来灵台剖面红粘土和黄土-古土壤序列的酸不溶物 Sr和 Nd同位素组成.样品酸不溶物 87Sr/86Sr变化可明显分为两个阶段.第一个阶段,从 7 Ma B.P.到 2.5 Ma B.P.,为红粘土层,酸不溶物 87Sr/86Sr稳定位于高值,反映了东亚冬季风处于相对平稳的弱势.第二个阶段,从 2.5 Ma B.P.到现在,酸不溶物 87Sr/86Sr呈下降趋势,波动加强,反映了东亚冬季风不断增强,并且冬季风和夏季风交替变化加强. 7 Ma B.P.以来灵台剖面红粘土和上覆的黄土-古土壤的 Nd同位素组成一致,并揭示 7 Ma B.P.以来,北太平洋中部沉积物与黄土高原黄土都来自相同的物源区.     

中国沙漠的同位素分区特征

系统采集了中国10个主要沙漠或沙地(塔克拉玛干沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、柴达木沙漠、毛乌素沙漠、库布齐沙漠、古尔班通古特沙漠、浑善达克沙地、科尔沁沙地和呼伦贝尔沙地)样品,并在黄土高原西峰、环县和洛川剖面采集了马兰黄土(L1)样品.通过选择合适的粒级和样品处理方法,对样品酸不溶物进行了Nd和Sr同位素组成的测定.测定结果表明,中国10个沙漠或沙地的Nd同位素组成ε8Nd(0)的变化范围大,为-1.2～-17.2.根据Nd同位素组成范围,10个沙漠或沙地的εNd(0)从高到低可以分为4个区域:A1:古尔班通古特沙漠和呼伦贝尔沙地(-1.2～-4.0);A2:浑善达克沙地和科尔沁沙地(-4.4～-7.0);B:塔克拉玛干沙漠、柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠(-7.4～-11.7);C:毛乌素沙漠和库布齐沙漠(-11.8～-17.2).中国沙漠Nd同位素组成的分区性与中国北方的大地构造和山脉分布密切相关,并表明中国沙漠具有近源性,即沙漠物质主要来源于其邻近周围的山脉和基底岩石的风化侵蚀.通过对比,黄土高原黄土Nd和sr同位素组成与柴达木沙漠和阿拉善高原的沙漠(腾格里和巴丹吉林沙漠)相同,而与其他沙漠不同.塔克拉玛干沙漠碳同位素组成为0.19‰～0.62‰;柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠和黄土高原马兰黄土碳同位素组成都落在1.20‰～2.40‰之内.黄土高原马兰黄土碳同位素组成与柴达木沙漠和巴丹吉林沙漠相类似,而与塔克拉玛干沙漠不同.本次研究为Liu et al.(1996)的推论,即黄土高原黄土物质最终来源于青藏高原东北缘,提供了一个有力的同位素证据.     

中国黄土的物质来源及其粉尘的产生机制与搬运过程

长期以来,黄土高原的物质来源被笼统认为来自包括西北三大内陆盆地(准噶尔、塔里木、柴达木)在内的广阔的沙漠、戈壁地区,而且中国黄土被看作“沙漠”黄土的典型代表。但我们最新的研究揭示出,源自准噶尔和柴达木盆地的粉尘主要由低空气流搬运,受下风方向的山脉阻挡,就近堆积成山麓黄土。源自塔里木盆地的粉尘如果被近地面风搬运,则不可能移出盆地,而是堆积在昆仑山北麓,但如果被飙升到高空,则被西风急流携带,移出盆地而降落在北太平洋地区,无论哪种情况,该盆地的粉尘都不可能对黄土高原有重要贡献。因此,西北三大内陆盆地并非黄土高原的重要物源,而蒙古国南部及与之相邻的包括巴旦吉林、腾格里、乌兰布和、库布其、毛乌素等在内的戈壁、沙漠地区才是黄土高原的主要物质来源区,且主要由近地面风(基本在3000m以下)从上述戈壁、沙漠地区搬运而来。中国黄土并不能简单看作“沙漠”黄土,包括冰川研磨作用、山体剥蚀作用、山前冲洪积作用等在内的“高山过程”,才是产生大量粉土级物质的原因,戈壁、沙漠、黄土的带状分布,只不过是近地面风对山前冲、洪积物质的风力分异而已。     

Holocene environmental change inferred from the loess–palaeosol sequences adjacent to the floodplain of the Yellow River, China

Chinese loess deposits are generally considered to be the product of dust storms and dust falls from the central Asia arid zones that were transported across China by the northwesterly continental monsoon. In contrast, the Zhengzhou Loess found southeast of the Loess Plateau, adjacent to the floodplain of the Yellow River, records a different eolian regime and dust source. The Zhengzhou Loess was investigated by field observations, measurements of magnetic susceptibility, particle-size distribution, loss-on-ignition, CaCO₃ and chemical contents. Both field observations and the laboratory results indicate that, during the last glacial, the Zhengzhou Loess was supplied by two different eolian regimes and dust sources, one was from the fresh flood deposits of the Yellow River driven by the northeast winds from the low-lying floodplain, and the other was from the dust storms and dust falls that traveled across the Loess Plateau driven by the northwesterly continental monsoon from the central Asian arid lands. The early Holocene, 11,500–8500 a BP, was a transition during the change in eolian regime and dust source because of the weakened northwesterly monsoon along with the global climatic amelioration. Following the retreat of the northwesterly monsoon from the onset of the mid-Holocene Climatic Optimum at 8500 a BP, dust supply from the drifting sand zone on the Yellow River floodplain became dominant because of the intensified strength of the northeast winds from the Bohai Sea. From 3100 a BP onwards, climatic aridity and extensive human disturbance have resulted in intensive eolian processes causing the incursion of the drifting sand into the Zhengzhou Loess zone. These results show that loess accumulation is more complex than traditionally assumed. The origin of loess deposits elsewhere outside the Loess Plateau may be related to dust sources derived from alluvial sediments of major river systems.     

近13万年来黄土高原干湿气候的时空变迁

第四纪时期，黄土高原粉尘物质的搬运、沉积及其后的成土过程受控于干湿气候的变化。对黄土高原这一特定地区而言，风成沉积序列在地域上的差异主要与东亚地区的季风环流在时间和空间上的变化有关。本文的研究揭示出，近１３万年里，最为显著的成壤期有６期，与这６个成壤期对应的时段也应当是夏季风环流加强、气候温湿的时期；在空间上，全新世适宜期及末次间冰期中与深海氧同位素阶段５ａ，５ｃ，５ｅ对应的时期，夏季风足可以深入到毛乌素沙漠腹地，并具有占优势的环境效应。在阶段３的早、晚期及５ｂ时期夏季风虽然也能深入沙漠－黄土边界带，但其环境效应在黄土高原北部及毛乌素沙漠南缘已不再显著。在阶段２、阶段４及阶段３的中期夏季风已不能深入沙漠－黄土边界带。     

Dust transport and the question of desert loess formation

Although contemporary dust storms are frequent in arid and semi-arid areas, desert loess deposits are poorly developed. Much of the World's loess occurs in mid-latitude areas which experienced glaciation during the Pleistocene. Ocean core evidence indicates that dust transport from sub-tropical deserts increased during cold stages of the Pleistocene, but loess formed only on certain desert margins, for reasons which have not been fully explained. This paper re-examines the mechanisms of dust transport and deposition, and the circumstances leading to the accumulation of thick loess. Typical loess is composed mainly of medium silt grains which are transported in short-term suspension a few metres above the ground. Significant thicknesses of loess form only when dust is trapped within a limited area, often relatively close to the source. Dust particles finer than 20 μm are transported mainly in long-term suspension over a greater height range and may be widely dispersed. The availability of silt and the frequency, magnitude and direction of dust-transporting winds are important factors governing the potential for loess formation, but the existence of a suitable dust trap is particularly important. Traps may be formed by topographic obstacles, areas of moist ground, or vegetated surfaces. Vegetation adjacent to glacial outwash plains and braided meltwater streams trapped dust in mid-latitudes during the Pleistocene. Dust blown during glacial periods from certain deserts, notably in Sinai, Soviet Central Asia and China, accumulated as loess in neighbouring semi-arid regions. On the margins of other deserts loess formation was inhibited partly by the absence of vegetation traps. During most of the Holocene net dust deposition rates in all desert-marginal areas have been too low for significant loess accumulation. This is mainly due to a reduction in silt availability and a tendency towards landscape stability. Reported dust storm frequencies during the past 50 years over-estimate the longer-term Holocene dust flux due to the effects of human activities. Much modern dust owes its origin to erosion of cultivated soils in semi-arid areas and is finer than typical loess.     

Late Quaternary aeolian dust input variability on the Chinese Loess Plateau: inferences from unmixing of loess grain-size records

The grain-size distributions (GSDs) of loess–paleosol sequences may provide valuable information on provenance, transport and paleoclimate variability, and consequently, a wide range of methods to extract genetic information from loess GSDs has been proposed. Here it is shown that a genetically meaningful decomposition of a series of Late Quaternary loess grain-size records extending across the Chinese Loess Plateau can be accomplished with the end-member modelling algorithm (EMMA). The unmixing results in conjunction with loess accumulation rate estimates reveal that two contrasting dust supply patterns were active over the Loess Plateau during the last glacial–interglacial cycle: (i) a background sedimentation pattern that was dominant during interglacial periods, especially over the central and southern parts of the Loess Plateau, is reflected by the constant flux of the fine-grained loess component, (ii) an episodic, highly variable dust input pattern, that was dominant during glacial periods throughout the Loess Plateau and noticeable during interglacial periods mainly over the northern Loess Plateau and almost disappearing over the southern Loess Plateau, is reflected in the admixture of two coarse-grained loess components. A genetic interpretation and the paleoclimatic significance of the mixing model are provided by comparison of the modelled end members with modern dust samples in terms of their GSD and flux rates.     

黄土与古季风

中国黄土的古季风记录研究，揭示了东亚季风区的环境变迁历史是来自中、高纬大陆的偏北冬季风与来自中、低纬海洋的偏南夏季风的环境效应优势期相互交替的历史。文中简要介绍了有关黄土高原黄土与古季风研究的重要进展，侧重讨论了中原地区末次冰期高分辨率黄土所记录的冬季风和夏季风变迁的特征，最后就今后全球变化计划中的黄土与古季风研究提出了几点意见。     

李希霍芬与黄土的风成学说

第四纪古气候重建在最近半个世纪的时间里取得了前所未有的进展,这在很大程度上与对陆相黄土地层,特别是中国黄土-古土壤序列的研究,以及对深海沉积氧同位素的研究密不可分。现在我们已经可以在黄土-古土壤序列的基础上,建立起260万年来地球轨道尺度的古气候变化。一个不容否认的事实是,这些进展都是在黄土风成成因的基础上,结合土壤地层学、年代学、磁性地层学、古生物学等方面的进展逐渐发展起来的。只有解决了黄土的风成成因,才可能将堆积于各地的黄土,通过搬运粉尘的风力系统与区域、甚至全球的古气候变化联系起来。文章回忆了黄土的早期研究历史,回顾了黄土风成成因的奠基人李希霍芬教授在黄土成因方面的杰出贡献以及其后黄土成因的完善与发展。     

晚第四纪风尘物质成分的变化及其环境意义

对长武和宜川晚第四纪黄土-古土壤序列的高分辨率铁含量分析表明,不同时期的风尘在化学成分上具有较明显的区别。在排除成壤过程中CaCO₃淋溶和淀积的相对影响后,研究剖面的铁含量基本反映了原始风尘的铁含量。已有研究表明,西部源区的气溶胶和现代地表流沙中铁的相对含量显著高于东部源区。本文认为,风尘铁含量的变化反映了西部沙漠风尘对黄土堆积的相对贡献。由于西风带北支是西部源区风尘的主要搬运者,风尘中全铁含量可能反映了西风带北支气流的强度,并明显存在着千年尺度的变化。